基于89C52 的紅外熱釋電防盜報(bào)警器設(shè)計(jì)

郝海峰 陶麗芳

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316000）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)智能化不法行為已經(jīng)成為人們?nèi)找鎿?dān)憂的焦點(diǎn)，安全的隱患所在，所以科學(xué)化、智能化的安防設(shè)備對(duì)于人們的家居安全尤為重要，家居防盜報(bào)警器的發(fā)展主要是基于傳感器之上，人都會(huì)釋放熱量，一般能檢測人所釋放的熱是通過紅外原理來檢測的，當(dāng)溫度高于0K 時(shí)，便會(huì)發(fā)出紅外線，被動(dòng)式報(bào)警器正是利用這么一個(gè)原理，發(fā)出了紅外線，檢測原理和主動(dòng)式一樣的，溫度敏感的紅外報(bào)警強(qiáng)，物體的溫度越高，輻射出的紅外傳感器在高背景輻射強(qiáng)度發(fā)生的環(huán)境，引發(fā)反警報(bào)。

紅外檢測是紅外技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在紅外檢測技術(shù)的研究，從以下幾個(gè)方面：第一，物理學(xué)中告訴我們，溫度高于0K 的任何物體都會(huì)產(chǎn)生紅外線，換句話說任何東西可以發(fā)射紅外線，物體的溫度越高，其紅外輻射強(qiáng)度越大，根據(jù)不同的目標(biāo)和背景輻射特性的差異，你可以白天和夜間目標(biāo)檢測過程中采用紅外線技術(shù)，跟蹤和識(shí)別，以獲取目標(biāo)信息。第二，紅外探測系統(tǒng)主要是紅外接收系統(tǒng)，紅外接收系統(tǒng)接收到的紅外輻射，可見光，其輸出信號(hào)具有一定的差異。一般來說，它是高背景信號(hào)輸出，對(duì)比度低，動(dòng)態(tài)范圍寬，信噪比低，當(dāng)紅外接收系統(tǒng)遠(yuǎn)離目標(biāo)，接收紅外輻射很小，產(chǎn)生的信號(hào)也很弱；當(dāng)紅外接收系統(tǒng)從當(dāng)目標(biāo)接近，接收到的紅外輻射很強(qiáng)。

1 系統(tǒng)原理

1.1 人體熱釋電原理

在自然界中，人體的溫度會(huì)維持在37 攝氏度，這個(gè)溫度的人體會(huì)釋放出10um 特定波長的紅外線，而本設(shè)計(jì)中用到的被動(dòng)式紅外檢測傳感器正是利用了這一點(diǎn)，靠檢測人體釋放出的10um 特定波長紅外線來工作的。在基爾霍夫定律中指出，在一定的溫度下，在到達(dá)熱平衡時(shí)，任何物體此時(shí)的輻射量和吸收量成正比例，這便是說實(shí)時(shí)的發(fā)射率與吸收率是相等的（ε=α）。發(fā)射率是一個(gè)物體發(fā)射熱輻射的能力，現(xiàn)在所說的熱輻射本領(lǐng)都與黑體的熱輻射本領(lǐng)相比較而得知的，這里提到的黑體是輻射本領(lǐng)最大的，與黑體輻射的比例系數(shù)就是發(fā)射率（輻射率），黑體的發(fā)射率都等于1，所以任何物體的輻射率總是小于1。一般人的輻射能量與310K 絕對(duì)溫度下的黑體的輻射能力相似。若某個(gè)人的輻射率是0.99（不考慮膚色），這個(gè)數(shù)字表示這個(gè)人輻射能力很高，很接近黑體。

1.2 紅外信號(hào)檢測原理

從原理上來講，傳感器外的任何發(fā)熱物體都是會(huì)產(chǎn)生紅外線，本設(shè)計(jì)中的熱釋電人體紅外傳感器就是這樣，對(duì)于自身之外的溫度變化都會(huì)體現(xiàn)在自身敏感單元上，并且很靈活，外部溫度的變化體現(xiàn)在敏感單元，敏感單元將這種溫度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，周圍環(huán)境與傳感器自身的溫度變化都是有自身內(nèi)在構(gòu)成的部分決定了它不產(chǎn)生電信號(hào)，所以沒有向外輸出信號(hào)；對(duì)于低頻效應(yīng)傳感器，它的頻率通常是在0.1～10Hz 這個(gè)區(qū)間，對(duì)5～15um 這個(gè)區(qū)間波長的紅外線的響應(yīng)決定了，傳感器只對(duì)外界的溫度變化而敏感，這種變化就是人體移動(dòng)所導(dǎo)致的敏感的。因可以說，傳感器只對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)才敏感，而對(duì)靜止和移動(dòng)很慢的人體沒有反應(yīng)。

1.3 數(shù)碼管顯示原理

通常我們所用的數(shù)碼管七段式和八段式LED 數(shù)碼管，和七段式LED 數(shù)碼管相比，八段式LED 數(shù)碼管多了一個(gè)小數(shù)點(diǎn)，其他的基本相同。所說的七段式或者八段式LED 數(shù)碼管，以八段式為例，在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有八個(gè)發(fā)光LED 二極管，顯示不同的字符可以通過控制不同的LED 的亮滅來實(shí)現(xiàn)，所以八段式比七段式可以多顯示小數(shù)點(diǎn)。這樣的段式數(shù)碼管分為兩種，第一種，將八個(gè)LED 的陰極連在一起，讓其接GND，若是給任何一個(gè)LED 的另一端高電平，便能將其點(diǎn)亮，這樣的是共陰極。另一種是共陽極，其實(shí)共陽極就是將八個(gè)LED 的陽極連在一起接上高電平，若是陰極接上低電平，它便會(huì)被點(diǎn)亮。數(shù)碼管的兩個(gè)COM 是公共端，其中一個(gè)公共端接GND，另一個(gè)公共端接上5V 的電壓。一般出現(xiàn)的油一位數(shù)碼管，四位數(shù)碼管，一位數(shù)碼管是指一個(gè)八段數(shù)碼管，同樣并接在一起的對(duì)各八段數(shù)碼管稱之為多位數(shù)碼管，a,b,c,d,e,f,g,dp 則是它們的段選線，連在一起，而它們各自的公共端這便是位選線。在數(shù)碼管顯示時(shí)，選中某一個(gè)位選，顯示的數(shù)據(jù)代碼是從段選送入，這時(shí)選中的位選的LED 燈便會(huì)被點(diǎn)亮。對(duì)于一個(gè)八段數(shù)碼管，每一段都對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)，所以每一位的顯示數(shù)據(jù)是八字節(jié)的，dp 是八字節(jié)最高位，a 是八字節(jié)的最低位。如果讓一個(gè)共陰八段數(shù)碼管顯示數(shù)字0，它的字符編碼是00111111，即0x3f；在共陽八段數(shù)碼管中，它的字符編碼是11000000，即0xc0。這里可以發(fā)現(xiàn)共陽與共陰的字符編碼剛好相反。

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)是人體紅外檢測報(bào)警的基礎(chǔ)，其需要根據(jù)輸入與輸出的需要配置相應(yīng)的外設(shè)，以選擇合適的主控制器，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的按鍵輸入、聲光報(bào)警電路模塊，從而構(gòu)成整個(gè)熱釋電熱人體紅外控制系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)整體硬件供電結(jié)構(gòu)如圖所示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：程序初始配置，熱釋電紅外傳感器測量采集，傳感器數(shù)據(jù)分析處理，聲光報(bào)警器PWM 輸出，串口數(shù)據(jù)傳送，人機(jī)交互等。

由于在實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中，探頭的紅外人體數(shù)據(jù)采集需要實(shí)時(shí)并且要保證準(zhǔn)確，因此探頭的現(xiàn)場場信號(hào)捕捉中斷的優(yōu)先級(jí)設(shè)定為最高；其次是定時(shí)中斷，即人體感應(yīng)模塊數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)分析處理，聲光報(bào)警其PWM 輸出均在定時(shí)中斷中依次進(jìn)行運(yùn)算處理；最后是串口數(shù)據(jù)傳送。

在程序初始化階段需要對(duì)單片機(jī)主頻及各類外設(shè)進(jìn)行初始化配置。然后是人機(jī)交互，通過按鍵設(shè)置參數(shù)。最后是進(jìn)入主循環(huán)中，在主循環(huán)中對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并提取，并通過串口發(fā)送傳感器采集及處理數(shù)據(jù)在數(shù)碼管和聲光報(bào)警器顯示，在主程序循環(huán)期間等待中斷的到來。

4 軟件系統(tǒng)仿真

本設(shè)計(jì)的軟件仿真在protues7.8 環(huán)境中運(yùn)行，由于人體感應(yīng)模塊仿在protues 環(huán)境中沒有相應(yīng)的仿真器件，所以不能完全的仿真現(xiàn)實(shí)人體檢測，其實(shí)人體感應(yīng)模塊感應(yīng)到人體會(huì)輸出高電平給單片機(jī)的p1.0，所以在本設(shè)計(jì)中按鍵代替，按下就有一個(gè)脈沖信號(hào)表示檢測到了人體信號(hào)，仿真電路圖如圖2 所示。

在圖2 中，按鍵按下時(shí)，就有脈沖信號(hào)傳輸至單片機(jī)的p1.0，這時(shí)就啟動(dòng)了系統(tǒng)的報(bào)警器，其中的蜂鳴器報(bào)警器便發(fā)出鳴叫聲。蜂鳴器報(bào)警時(shí)的波形圖如圖3 所示。

經(jīng)過的不斷程序調(diào)試，本設(shè)計(jì)最終可以實(shí)現(xiàn)由紅外脈沖信號(hào)到來，聲光報(bào)警器可以實(shí)現(xiàn)自主報(bào)警的功能。

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